CN114325113B - 基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，包括：S1、闭合开关，在并网点的电流采样信号中叠加不同频率的正序扰动电流信号，测量并记录对应的并网点的一组三相电压和三相电流；S2、断开开关，将电感串入逆变器正负序阻抗测量电路，在并网点的电流采样信号中叠加与S1相同的正序扰动电流信号，幅值和频率与S1中保持一致，测量并记录对应的并网点的一组三相电压和三相电流；S3、通过S1和S2得到的两组并网点的三相电压和三相电流，计算三相并网逆变器的正序阻抗；S4、将叠加的正序扰动电流信号改为负序扰动电流信号，重复S1～S3，得到三相并网逆变器的负序阻抗。本发明节省了主回路中产生扰动信号的大电源，极大地降低了成本。

Description

基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及阻抗测量技术领域，具体涉及一种基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，特别涉及一种基于二次采样信号叠加扰动信号的三相并网逆变器正负序阻抗测量方法。

背景技术

现阶段，我国正努力建设以清洁低碳、安全高效为目标的能源体系，构建以新能源为主的新型电力系统。在新能源发电系统中，光伏、风电、储能等单元主要通过电力电子变换装置并入电网，因此，随着现代电网中新能源渗透率的日益增长，电力系统的电力电子化特性愈加显著，易引发宽频振荡问题，危及新型电力系统的安全稳定运行。其中，弱电网下逆变器与电网、逆变器与逆变器之间的交互耦合作用是引起新能源机组相关稳定性问题的主要因素。

并网逆变器多为“黑箱”或“灰箱”装置，频域阻抗作为一种描述逆变器端口外特性的模型，其具有可测性，被广泛应用在并网逆变器稳定性分析中。通过测量得到的逆变器阻抗特性，可以分析不同控制方式下逆变器本身的阻尼特性和潜在谐振点，进而揭示不同并网环境下逆变器的宽频谐振机理，并为谐振抑制提供理论和实践指导。因此，准确实用的阻抗测量技术是发挥阻抗稳定性分析优势的工程应用基础。

扰动注入是实现逆变器阻抗测量的主要方法，现有的扰动注入方式以高压主回路注入谐波电压或谐波电流居多，谐波信号的产生依靠额外的电力电子控制装置，注入信号的波形、幅值和频率灵活可控，阻抗测量精度较高，但一次侧高压主回路扰动注入易改变系统的运行工况，且需要额外的设备，增加了成本，不利于实际推广。为此，在逆变器二次侧控制系统注入小信号扰动的方法被提出，其不需要借助额外的阻抗测量装置，但目前该方法需要逆变器厂家对外开放控制器，否则研究人员难以在控制器内部实现扰动注入和检测，从而在一定程度上限制了该方法的实际推广应用。因此，亟需研究更加实用准确的逆变器阻抗测量方法。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法。

术语解释：

VSC：Voltage Source Converter，电压源换流器。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，在逆变器正负序阻抗测量电路上增设开关，并在逆变器正负序阻抗测量电路上设采集电压和电流的并网点为A点，所述逆变器正负序阻抗测量方法至少包括：

S1、闭合开关，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加不同频率的正序扰动电流信号，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压和三相电流；

S2、断开开关，将电感串入逆变器正负序阻抗测量电路，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加与步骤S1相同的正序扰动电流信号，幅值和频率与步骤S1中保持一致，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压和三相电流；

S3、通过步骤S1得到的并网点A的三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的三相电压和三相电流，计算三相并网逆变器的正序阻抗；

S4、将叠加的正序扰动电流信号改为负序扰动电流信号，重复步骤S1～S3，计算得到三相并网逆变器的负序阻抗。

进一步地，还包括步骤S5：

更改扰动电流信号的幅值和相位，重复步骤S1～S4，多次测量三相并网逆变器的正序阻抗和负序阻抗。

进一步地，扰动电流信号的频率f为10Hz～4kHz。

进一步地，设扰动电流信号为(Δi_pa,Δi_pb,Δi_pc)，具体表示如下：

上式中，I_p为扰动信号的幅值。

进一步地，设扰动电流信号的幅值为三相额定电流的5％～10％。

进一步地，步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流分别为(v_a1,v_b1,v_c1)和(i_a1,i_b1,i_c1)。

进一步地，步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流分别为(v_a2,v_b2,v_c2)和(i_a2,i_b2,i_c2)。

进一步地，步骤S3中，计算三相并网逆变器的正序阻抗，具体包括：

S31、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行离散傅里叶变换，具体如下：

上式中，x(n)时域采样信号，X(k)为频域信号，N为采样点数；

设经过离散傅里叶变换后的两组三相电压和三相电流分别表示为(V_a1,V_b1,V_c1)、(V_a2,V_b2,V_c2)、(I_a1,I_b1,I_c1)、(I_a2,I_b2,I_c2)；

S32、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行正负序分离，通过下式(3)计算得到相应的正序电压V₁₊、V₂₊和正序电流I₁₊、I₂₊；

上式中，a＝e^j2π/3，下标“+”和“-”分别代表正序分量和负序分量；

S33、通过

即可计算得到三相并网逆变器的正序阻抗。

进一步地，所述逆变器正负序阻抗测量电路至少包括新能源或储能单元、VSC、滤波器、电感L和变压器，其中，新能源或储能单元通过VSC与滤波器的一端连接，滤波器的另一端与电感L的一端连接，电感L的另一端与变压器的一端连接，变压器的另一端连接至交流电网，并网点A设置于滤波器与电感L之间。

进一步地，还包括开关K1，所述开关K1并联在电感L的两端，开关K1可以方便地改变等效电网阻抗。

本发明的有益效果是：

本发明旨在通过在三相并网交流电流的采样信号中叠加宽频域(例如10Hz～4kHz)的小信号扰动电流信号，测量三相并网逆变器并网点产生的小信号电压响应，以此来计算三相并网逆变器的正负序阻抗。对比传统的在高压主回路串入扰动电压源或并入扰动电流源的方法，本发明节省了主回路中产生扰动信号的大电源，极大地降低了成本，提升了方案的实际可行性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的逆变器正负序阻抗测量电路的接线图。

图2为本发明实施例所述的电流采样信号中叠加宽频域扰动信号的控制原理框图。

图3为图2中逆变器控制器的具体结构示意图。

图4为本发明实施例所述的新能源或储能并网VSC并网系统简化电路图。

图5为本发明实施例选取两个不同电网侧电感L_g得到的正序阻抗测量值与正序阻抗理论模型的对比图，其中，图5(a)是正序阻抗下频率与幅值的关系图，图5(b)是正序阻抗下频率与相位的关系图。

图6为本发明实施例选取两个不同电网侧电感L_g得到的负序阻抗测量值与负序阻抗理论模型的对比图，其中，图6(a)是负序阻抗下频率与幅值的关系图，图6(b)是负序阻抗下频率与相位的关系图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

本发明公开了一种逆变器正负序阻抗测量电路，如图1所示，所述逆变器正负序阻抗测量电路至少包括新能源或储能单元、VSC、滤波器、电感L和变压器，其中，新能源或储能单元通过VSC与滤波器的一端连接，滤波器的另一端与电感L的一端连接，电感L的另一端与变压器的一端连接，变压器的另一端连接至交流电网。在逆变器正负序阻抗测量电路上设采集电压和电流的并网点为A点，并网点A设置于滤波器与电感L之间，u_abc和i_abc分别为计算逆变器正负序阻抗需采集的并网点电压和电流信号。为了方便对正负序阻抗进行测量，在逆变器正负序阻抗测量电路的基础上增设了开关K1，所述开关K1并联在电感L的两端，开关K1可以方便地改变等效电网阻抗，在采样信号叠加宽频域小信号扰动的情况下，通过测量开关K1闭合前后的u_abc和i_abc，可以对逆变器的输出正负序阻抗进行有效辨识。

电流采样信号中叠加宽频域扰动信号的控制原理框图，如图2所示，Δi_pabc为叠加的扰动电流，i′_abc为叠加扰动后的采样电流，即被控电流信号。图2中逆变器控制器的具体结构示意图如图3所示，逆变器控制器至少包含锁相环(Phase Locked Loop，PLL)、功率控制环、电流控制环和脉冲发生器，其中，PLL的输入和输出分别为采样电压u_abc和相角θ_pll，相角θ_pll用来进行Park变换或Park^-1变换；功率控制环(即，外环)为电流控制环(即，内环)提供dq坐标系下的参考电流i_dref和i_qref；电流控制环的输出用来进行脉冲调制。此外，采样电流叠加扰动电流Δi_pabc后经Park变换后送到电流控制环进行控制。

本实施例所述的一种基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，具体包括如下步骤：

步骤S1、闭合开关K1，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加不同频率f(10Hz～4kHz)的正序扰动电流信号(Δi_pa,Δi_pb,Δi_pc)，即，叠加多种不同频率下的正序扰动电流信号，本实施例中，优选扰动电流信号的幅值I_p为三相额定电流I₀的5％～10％，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压(v_a1,v_b1,v_c1)和三相电流(i_a1,i_b1,i_c1)，其中，这一组三相电压(v_a1,v_b1,v_c1)和三相电流(i_a1,i_b1,i_c1)中是包括了多个不同频率的数据。

其中，扰动电流信号具体表示如下：

上式中，I_p为扰动信号的幅值。

步骤S2、断开开关K1，将电感L串入逆变器正负序阻抗测量电路，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加与步骤S1相同频率的正序扰动电流信号，幅值和频率与步骤S1中保持一致，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压(v_a2,v_b2,b_c2)和三相电流(i_a2,i_b2,i_c2)，其中，这一组三相电压(v_a2,v_b2,v_c2)和三相电流(i_a2,i_b2,i_c2)中是包括了多个不同频率的数据。

步骤S3、通过步骤S1得到的并网点A的三相电压(v_a1,v_b1,v_c1)和三相电流(i_a1,i_b1,i_c1)以及步骤S2得到的并网点A的三相电压(v_a2,v_b2,v_c2)和三相电流(i_a2,i_b2,i_c2)，计算三相并网逆变器的正序阻抗。具体分为如下几步：

S31、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行离散傅里叶变换，具体如下：

上式中，x(n)时域采样信号，X(k)为频域信号，N为采样点数；

设经过离散傅里叶变换后的两组三相电压和三相电流分别表示为(V_a1,V_b1,V_c1)、(V_a2,V_b2,V_c2)、(I_a1,I_b1,I_c1)、(I_a2,I_b2,I_c2)。

S32、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行正负序分离，通过下式(3)计算得到相应的正序电压V₁₊、V₂₊和正序电流I₁₊、I₂₊；

上式中，a＝e^j2π/3，下标“+”和“-”分别代表正序分量和负序分量。

S33、通过

即可计算得到三相并网逆变器的正序阻抗。

步骤S4、将叠加的正序扰动电流信号改为负序扰动电流信号(Δi_pa,Δi_pc,Δi_pb)，即对b相和c相调换一下顺序，只是将正序扰动电流信号更改为了负序扰动电流信号，频率与步骤S1和步骤S2中选择的频率一致，重复步骤S1～S3，计算得到三相并网逆变器的负序阻抗Z_o-。

步骤S5、更改扰动电流信号的幅值和相位，重复步骤S1～S4，多次测量三相并网逆变器的正序阻抗和负序阻抗，通过多次测量，消除背景噪声对测量结果的影响。

本实施例所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法的测量原理：

新能源或储能并网VSC并网系统简化电路图如图4所示，其中，VSC等效为电流源i_vsc并联其输出阻抗Z_o，交流电网等效为电压源v_g串联其等效线路阻抗Z_g。设VSC的参考电流为I_r，VSC的电流闭环传递函数表示为G_c(s)，则i_vsc＝I_rG_c(s)。

根据图4可知：

v_p＝Z_gi_g+v_g (5)

上式中，v_p代表公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)电压，i_g代表并网电流。

根据控制系统的构成，在采样的交流电流信号中注入扰动量Δi将改变I_r为(I_r-Δi)，则叠加扰动信号后，电路的关系如下式所示：

v_p1＝Z_gi_g1+v_g (7)

上式中，v_p1和i_g1分别代表扰动后PCC处的电压和电流。

改变电网侧阻抗Z_g，并叠加相同的扰动量Δi，将得到一组新的方程组如下：

v_p2=Z′_gi_g2+v_g (9)

上式中，v_p2和i_g2分别代表改变电网阻抗Z_g且叠加扰动Δi后PCC处的电压和电流，Z′_g代表改变后的等效电网阻抗。

式(6)-式(8)可得：

因此，在不同的电网阻抗条件下，在同一个频率点做两次相同扰动的实验，即可通过式(10)计算出逆变器输出阻抗Z_o。

在本发明的一个具体实施例中，选取两个不同电网侧电感L_g(如L_g＝1mH，L′_g＝2mH)进行验证。测量的阻抗结果和理论结果对比如图5和6所示，图中，实线代表逆变器正负序阻抗的理论模型，圆圈代表通过本发明所述方法得到的正负序阻抗测量值，图5(a)是正序阻抗下频率与幅值的关系图，图5(b)是正序阻抗下频率与相位的关系图，图6(a)是负序阻抗下频率与幅值的关系图，图6(b)是负序阻抗下频率与相位的关系图。

通过图5和图6的对比可知，测量结果与理论模型基本吻合，证明了本发明所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法的准确性。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，在逆变器正负序阻抗测量电路上增设开关，并在逆变器正负序阻抗测量电路上设采集电压和电流的并网点为A点，所述逆变器正负序阻抗测量方法至少包括：

S1、闭合开关，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加不同频率的正序扰动电流信号，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压和三相电流；

S2、断开开关，将电感串入逆变器正负序阻抗测量电路，保持逆变器正负序阻抗测量电路运行于待测功率点，在并网点A的电流采样信号中叠加与步骤S1相同的正序扰动电流信号，幅值和频率与步骤S1中保持一致，测量并记录对应的并网点A的一组三相电压和三相电流；

S3、通过步骤S1得到的并网点A的三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的三相电压和三相电流，计算三相并网逆变器的正序阻抗；

S4、将叠加的正序扰动电流信号改为负序扰动电流信号，重复步骤S1～S3，计算得到三相并网逆变器的负序阻抗。

2.根据权利要求1所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，还包括步骤S5：

更改扰动电流信号的幅值和相位，重复步骤S1～S4，多次测量三相并网逆变器的正序阻抗和负序阻抗。

3.根据权利要求1所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，扰动电流信号的频率f为10Hz～4kHz。

4.根据权利要求3所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，设扰动电流信号为(Δi_pa，Δi_pb，Δi_pc)，具体表示如下：

上式中，I_p为扰动信号的幅值。

5.根据权利要求4所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，设扰动电流信号的幅值为三相额定电流的5％～10％。

6.根据权利要求4所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流分别为(v_a1，v_b1，v_c1)和(i_a1，i_b1，i_c1)。

7.根据权利要求6所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流分别为(v_a2，v_b2，v_c2)和(i_a2，i_b2，i_c2)。

8.根据权利要求7所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，步骤S3中，计算三相并网逆变器的正序阻抗，具体包括：

S31、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行离散傅里叶变换，具体如下：

上式中，x(n)时域采样信号，X(k)为频域信号，N为采样点数；

设经过离散傅里叶变换后的两组三相电压和三相电流分别表示为(V_a1，V_b1，V_c1)、(V_a2，V_b2，V_c2)、(I_a1，I_b1，I_c1)、(I_a2，I_b2，I_c2)；

S32、对步骤S1得到的并网点A的一组三相电压和三相电流以及步骤S2得到的并网点A的一组三相电压和三相电流，进行正负序分离，通过下式(3)计算得到相应的正序电压V₁₊、V₂₊和正序电流I₁₊、I₂₊；

上式中，a＝e^j2π/3，下标“+”和“-”分别代表正序分量和负序分量；

S33、通过

即可计算得到三相并网逆变器的正序阻抗。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，所述逆变器正负序阻抗测量电路至少包括新能源或储能单元、VSC、滤波器、电感L和变压器，其中，新能源或储能单元通过VSC与滤波器的一端连接，滤波器的另一端与电感L的一端连接，电感L的另一端与变压器的一端连接，变压器的另一端连接至交流电网，并网点A设置于滤波器与电感L之间。

10.根据权利要求9所述的基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法，其特征在于，还包括开关K1，所述开关K1并联在电感L的两端。

Images